Postęp badań i możliwości rozwoju technologii podwodnych przetworników akustycznych(2

 Postęp badań nad przetwornikami głębinowymi

 

Przestrzeń głębinowa to nowy, dominujący szczyt obecnej morskiej rywalizacji wojskowej. Jednym ze strategicznych celów morskich mojego kraju jest przejście w stronę głębokiego błękitu. Rozwój głębinowego sprzętu akustycznego sprzyja ciągłym przełomom w badaniach nad przetwornikami głębinowymi. Wśród przetworników niskiej częstotliwości przedstawionych w części 1.1 tego artykułu, przykładami konstrukcyjnymi przetworników głębinowych są również przetwornik z zakrzywionym dyskiem i przetwornik pierścieniowy sprzęgający z belką rurową o strukturze wnęki przelewowej. Nie będę ich tutaj powtarzać, ale przedstawię kilka typowych. Nowe wyniki badań przetworników głębinowych.

 

Rysunek 7a przedstawia dwa główne Helmholtza podwodne konstrukcje przetworników akustycznych wykorzystujące wzbudzenie końcowe i wzbudzenie pośrednie. Przeprowadzono teoretyczne badanie częstotliwości rezonansowej wnęki cieczy w warunkach sprężystej ściany. Rysunek 7b przedstawia zaprojektowany wielownękowy szerokopasmowy przetwornik niskiej częstotliwości wykorzystujący przetwornik z rurką przelewową jako źródło wzbudzenia. Przetwornik Janusa-Helmholtza niskiej częstotliwości i dużej mocy zaprojektowany na ryc. 7c; to także poprzez wysunięcie cylindra wnęki przetwornika Janusa-Helmholtza w kierunku przodu promieniowania tłoka, na wylocie grzejnika Janusa powstaje nowa wnęka na ciecz. Wielownękowy przetwornik Janusa-Helmholtza (rysunek 7d) umożliwia przetwornikowi szersze pasmo częstotliwości roboczej. Rysunek 7e przedstawia zaprojektowany głębokowodny przetwornik przelewowy z pierścieniem przelewowym do podwodnej komunikacji akustycznej. Konstrukcja wykorzystuje efekt sprzęgania rezonansu wnęki cieczy i drgań promieniowych pierścienia kołowego, aby uzyskać szerokopasmową charakterystykę działania. Rysunek 7f przedstawia zaprojektowaną kierunkowość półprzestrzenną głębokowodnego przetwornika szerokopasmowego z pierścieniem przelewowym. Metalowa podstawa poprawia kierunkowość pionową przetwornika i tłumi promieniowanie tylne. Głębokowodny szerokopasmowy przetwornik wzdłużny zaprojektowany na rysunku 7g. Przetwornik wykorzystuje sprzężenie drgań wzdłużnych i drgań przy zginaniu przedniej pokrywy, aby uzyskać działanie szerokopasmowe. Przetwornik jest zamknięty w odpornej na ciśnienie obudowie ze stopu tytanu, a obudowa i przetwornik są wypełnione olejem silikonowym. , Poprzez urządzenie równoważące ciśnienie, aby osiągnąć pracę w głębokiej wodzie.

 

Rysunek 7 Przetwornik głębinowy

1.4 Postęp badań hydrofonu wektorowego

Z wielką uwagą ludzi na informacje wektorowe pola dźwiękowego i znaczenie badania nad hydrofonami wektorowymi , technologia hydrofonów wektorowych stale się rozwija i w ostatnich latach stała się jednym z międzynarodowych ośrodków badawczych. W XXI wieku badania nad zastosowaniem hydrofonów wektorowych w moim kraju są najbardziej aktywne. Według wyników statystycznych na koniec 2014 roku, blisko połowa dorobku akademickiego w zakresie międzynarodowych hydrofonów wektorowych i ich zastosowań pochodziła z mojego kraju. Poniżej krótkie wprowadzenie do najnowszego postępu badań nad hydrofonami wektorowymi.

 

Typową strukturą hydrofonu wektorowego jest tryb współmodalny. Hydrofon wektorowy trybu współbieżnego jest wytwarzany poprzez zamknięcie wrażliwych na bezwładność elementów (akcelerometry drgań, prędkościomierze itp.) w kulistej lub cylindrycznej obudowie. Zasada jego działania opiera się na charakterystyce sztywnej kuli lub cylindra, która wykonuje ruch oscylacyjny pod wpływem pola dźwiękowego i jest ogólnie zaprojektowana dla zerowej wyporu (rysunek 8a). Teoria i technologia w tej dziedzinie są stosunkowo dojrzałe. Obecnie nowe rodzaje piezoelektrycznych materiałów monokrystalicznych PMNT i PZNT stosuje się w celu zmniejszenia objętości hydrofonu, zwiększenia czułości i zmniejszenia szumów własnych. Hydrofony wektorowe są stosowane głównie w zestawach przybrzeżnych, zestawach holowanych i zestawach bocznych. Hydrofony wektorowe niskiej częstotliwości są również wykorzystywane w pomiarach hałasu w środowisku morskim, w systemach podwodnych/bojach i innych.

Rysunek 8 Hydrofon wektorowy

Rysunek 8b przedstawia współwibrujący hydrofon wektorowy kolumnowy, który można zainstalować na stałe. Jego podstawowa zasada nie uległa zmianie. W konstrukcji ramę zawieszenia zastępuje się drążkiem montażowym, a sprężynę zawieszenia zamienia się na sprężynę gumową. Scenariusz zastosowania tej konstrukcji można rozszerzyć na instalację stałą na nośniku platformy.

 

Wraz z rozwojem technologii przetwarzania mikroelektromechanicznego (MEMS) technologia MEMS została zastosowana do projektowania i rozwoju hydrofonów wektorowych. Technologia MEMS umożliwia integrację komponentów mikroelektronicznych, takich jak czułe jednostki, obwody sterujące, obwody dopasowujące o niskim poziomie szumów i moduły wstępnego przetwarzania próbek. W jednym przypadku sygnał akustyczny jest przekształcany na sygnał elektryczny. Typowym trybem pracy jest użycie czujnika mikroprzyspieszenia jako czułego elementu (rysunek 8c), wykorzystanie zasady efektu piezorezystancyjnego monokrystalicznego krzemu do zaprojektowania czułego chipa i opracowanie trójwymiarowego cylindrycznego kompozytowego hydrofonu wektorowego MEMS z współwibracją. Inny tryb pracy opiera się na zasadzie bioniki i naśladuje zasadę działania bocznych mechanicznych komórek czujnikowych ryby do wykrywania ruchu wody i zaprojektowano piezorezystancyjny hydrofon wektorowy MEMS (rysunek 8d).

 

Hydrofon światłowodowy jest jednym z udanych zastosowań technologii wykrywania światłowodów w dziedzinie akustyki podwodnej. Pokazuje właściwości techniczne wysokiej czułości, niskiego poziomu hałasu, dużego zakresu dynamiki i przeciwdziałania zakłóceniom. W ostatnich latach znalazł on także szerokie zastosowanie w hydrofonach wektorowych. Naukowcy zaprojektowali i opracowali hydrofon wektorowy światłowodowy. Figura 8e przedstawia trójwymiarowy cylindryczny hydrofon wektora światłowodowego. W oparciu o siatkę Bragga zaprojektowano zespół pomiaru przyspieszenia, zespół pomiaru ciśnienia akustycznego oraz opracowano hydrofon wektora ciśnienia akustycznego i prędkości drgań. Figura 8f przedstawia hydrofon wektora włókien sferycznych 3D. W oparciu o układ interferencyjny włókien zachowujących pełną polaryzację, opracowano interferometryczny hydrofon wektora światłowodowego 3D z ortogonalnym trzpieniem, który ma zwartą budowę, a środek dźwięku pokrywa się w jednym punkcie.

 

Postęp badań nad przetwornikami niskich częstotliwości, przetwornikami szerokopasmowymi wysokiej częstotliwości, przetworniki głębinowe i hydrofony wektorowe. Chociaż zebrane dane nie są wyczerpujące, są dość typowe i reprezentatywne. Zasadniczo przedstawia zarys granic rozwoju podwodnych przetworników akustycznych w moim kraju. W porównaniu z ikonicznymi pracami innowacyjnymi nad przetwornikami w różnych okresach na świecie, znaczna część innowacyjnych prac projektowych w moim kraju ma kilka lat, a nawet kilkanaście lat później niż międzynarodowy poziom najnowocześniejszej technologii.

 

Największy impuls do rozwoju przetworników hydroakustycznych w moim kraju wynika z wymagań aplikacyjnych w dziedzinie technologii hydroakustycznej. W okresie, gdy siła gospodarcza oraz siła naukowa i technologiczna mojego kraju są stosunkowo słabe, ta metoda rozwoju jest najskuteczniejsza, ale po długim czasie pozostaną wyraźne ślady historyczne, czego skutkiem będą niesystematyczne dyscypliny, niekompletne serie produktów i podstawy teoretyczne. Sytuacja zawodnej, niedoskonałej specjalistycznej technologii, niezrównoważonego wsparcia zawodowego i niestabilnego zespołu talentów.

 

Jeśli chodzi o technologię przetworników głębinowych, niektóre duże kraje morskie dysponowały już wieloma dojrzałymi technologiami i seriami produktów w XX wieku. Do mojego kraju można również eksportować niektóre cywilne głębinowe urządzenia akustyczne. Jednak aż do końca XX wieku zapotrzebowanie na technologię sonarów głębinowych w moim kraju nie było duże. Technologia przetworników głębinowych była wówczas prawie w stanie surowym. W ostatnich latach kraj zwiększył swoje inwestycje i zwrócił uwagę na badania podstawowych teorii i podstawowych urządzeń podstawowych. Pojawiają się nowe osiągnięcia w dziedzinie podwodnych przetworników akustycznych, z roku na rok doskonalą się możliwości techniczne, a postęp technologiczny jest niezwykły. Niektóre wyniki badań wymienione w poprzednim artykule są zsynchronizowane z międzynarodowym poziomem przygranicznym, ale ogólna synchronizacja i wszechstronna równoległa dynamika rozwoju są dalekie od wytworzenia się, szczególnie w historycznie krótkich i słabych kierunkach technologii przetworników oraz nowych osiągnięciach technologicznych. Jest to rzadkie, a wydajność produktu jest nadal bardzo słaba.